一种分级纳米多孔铜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种分级纳米多孔铜的制备方法，属于金属材料技术领域。制备分级纳米多孔铜的过程为：首先按一定比例准备纯铜和纯锰，熔炼制备Mn

【技术实现步骤摘要】
一种分级纳米多孔铜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属材料
，具体涉及一种分级纳米多孔铜及其制备方法。

技术介绍

[0002]分级纳米多孔金属是同时具有大孔和小孔的多孔材料，小孔提供极高的表面积，大孔提供物质传输的快速通道，在催化、驱动、传感、电池集流体料等方面具有极高的应用价值。其中，由于制备工艺简单、原材料价格相对低廉等优势，分级纳米多孔铜受到了大家的广泛关注。
[0003]然而，现有制备分级纳米多孔铜的方法主要存在以下问题：(1)制备成本高。现有技术需要先制备Cu粉及另一种或多种化学活性更高的金属粉末,再烧结成块体坯料的前驱体，制粉与烧结成本较高。(2)成品尺寸小。粉末烧结法制备的前驱体材料尺寸通常较小，难以制备大尺寸纳米多孔铜。(3)成品形状受限。粉末烧结法制备的前驱体材料塑性差，加工困难，多孔铜成品形状取决于烧结模具。
[0004]随着科学技术的进步和生产工艺的发展，分级纳米多孔铜面临着大型化、结构可调控化、孔隙率更高化等发展趋势，如何制备大块无裂纹的分级纳米多孔铜是急需解决的问题。因此，寻求一种简单的制备工艺，操作简单，制备出的样品稳定可靠，可以获得孔隙率高、成品尺寸与形状均可调控的分级纳米多孔铜，需要不断地探索研究。

技术实现思路

[0005]针对目前制备的分级纳米多孔铜制备成本高、样品尺寸较小、结构特征受限等问题，本专利技术的目的在于提供一种分级纳米多孔铜及其制备方法，本专利技术制备的分级纳米多孔铜的大孔直径在0.5
‑
5μm范围内可调控，小孔直径在20
‑
200nm范围内可调控，制备方法简单方便，成本相对低廉，成品尺寸与形状均可调控，对纳米多孔金属的制备、理论研究和应用有重要意义。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种分级纳米多孔铜的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0008](1)按一定比例准备纯铜和纯锰，真空感应熔炼制备Mn
‑
Cu二元合金；
[0009](2)将熔炼制备的Mn
‑
Cu合金进行均匀化退火处理，得到γ单相合金；
[0010](3)将步骤(2)所得γ单相结构的Mn
‑
Cu合金，进行时效热处理，析出α相，得到α/γ双相合金；
[0011](4)将步骤(3)所得α/γ双相结构的Mn
‑
Cu合金置于充分含量的酸性水溶液中，进行自由腐蚀或电化学腐蚀脱合金，待无明显气泡逸出或电流降至极低，α相被完全腐蚀，γ相部分腐蚀形成小孔，即得到分级纳米多孔铜。
[0012]上述步骤(1)中，前驱体Mn
‑
Cu合金中Mn含量为60％
‑
90％(原子比)。
[0013]上述步骤(2)中，所述退火温度范围为700
‑
865℃。
[0014]上述步骤(3)中，所述时效温度范围为500
‑
700℃。
[0015]上述步骤(4)中，所述脱合金温度可在5
‑
80℃范围内选择。
[0016]采用上述方法制备的分级纳米多孔铜结构可保持完整性，小孔直径约在20
‑
200nm范围内可调，大孔直径在0.5
‑
5μm范围内可调。
[0017]本专利技术设计机理如下：
[0018]1、经过步骤(3)中的时效处理后，如附图1所示，α/γ双相结构的Mn
‑
Cu合金中，α相Mn含量>98at.％，可在酸性水溶液内完全腐蚀，形成大孔，孔隙直径等同于α相颗粒尺寸。γ相中的Mn含量为40
‑
80at.％时，酸性水溶液中可脱合金腐蚀掉其中的Mn，形成孔隙直径为20
‑
200nm的小孔。因此，通过自由腐蚀或者电化学腐蚀具备α/γ双相结构的Mn
‑
Cu合金，可制备分级纳米多孔铜。
[0019]2、通过改变步骤(3)中的时效处理温度和时间，可以分别调控合金中的α相含量与尺寸，即能调控最终多孔铜中的大孔含量与孔径。通过改变步骤(4)中脱合金腐蚀温度，则可以调控小孔的孔径。
[0020]本专利技术的优点及有益效果如下：
[0021](1)制备成本低。相比于之前的粉末烧结法，熔炼+热处理制备前驱体合金的成本更低。
[0022](2)样品尺寸大。熔炼可以制备大尺寸的样品。
[0023](3)前驱体合金易加工成各类形状。γ单相的Mn
‑
Cu合金室温塑性极佳，可以通过锻造、轧制、拉拔等塑性加工的方法，制备出不同形状、尺寸的前躯体合金。后续的热处理及脱合金过程，不会改变样品的形状与尺寸。
[0024](4)分级纳米多孔铜中的小孔与大孔含量及孔径均可调控。通过改变母合金时效处理的温度和时间，可以分别调控合金中的α相含量与尺寸，即最终多孔铜中的大孔含量与孔径。通过改变脱合金腐蚀温度，则可以调控小孔的孔径。
[0025](5)分级纳米多孔铜中的孔隙率在0.6
‑
0.9范围内可调控，孔隙率可比单级纳米多孔铜高。在脱合金过程中，当被腐蚀去除的活泼性组元(如Mn
‑
Cu合金中的Mn)含量过高时，脱合金造成的体积收缩严重，且极容易产生腐蚀裂纹，从而限制了纳米多孔结构的空隙率。如图8(a)所示，单相结构的Mn
80
Cu
20
合金在0.1mol/L的盐酸中腐蚀4h后，形成单级纳米多孔铜成粉末状，不能形成块体，且内部存在大量裂纹(图8(b))，因此，单级纳米多孔铜的孔隙率难以超过75％。而α/γ双相结构的Mn
80
Cu
20
合金在0.1mol/L的盐酸中腐蚀4h后，形成的分级纳米多孔铜可维持初始母合金形状，内部无裂纹，如图2和图4(a)所示，孔隙率可达到80％。α/γ双相结构的Mn
90
Cu
10
在0.1mol/L抗坏血酸水腐蚀4h后，形成的分级纳米多孔铜可维持初始母合金形状，内部无裂纹如图7(a)所示，孔隙率可达到90％。
附图说明
[0026]图1为Cu
‑
Mn平衡相图，图中(Cu,Mn)即γ相，(Mn)rt即α相。
[0027]图2为实施例1中α/γ双相Mn
‑
Cu合金及其脱合金形成的分级纳米多孔铜实物照片；其中：(a)α/γ双相Mn
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Cu合金；(b)分级纳米多孔铜。
[0028]图3为实施例1中Mn
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Cu合金XRD结果；其中：(a)均匀化退火处理形成的γ相，(b)时效处理形成的α/γ双相。
[0029]图4为实施例1制备的分级纳米多孔铜的扫描电镜图；其中：(a)低倍，(b)低倍。
[0030]图5为实施例2制备的分级纳米多孔铜的扫描电镜图。
[0031]图6为实施例3制备的分级纳米多孔铜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分级纳米多孔铜的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)按一定比例准备纯铜和纯锰，真空感应熔炼制备Mn
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Cu二元合金；(2)将熔炼制备的Mn
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Cu合金进行均匀化退火处理，得到γ单相合金；(3)将步骤(2)所得γ单相结构Mn
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Cu合金，进行时效处理，析出α相，得到α/γ双相合金；(4)将将步骤(3)所得α/γ双相结构的Mn
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Cu合金置于充分含量的酸性水溶液中，进行自由腐蚀或电化学腐蚀脱合金，α相完全腐蚀形成大孔，γ相部分腐蚀形成小孔，最终得到分级纳米多孔铜。2.根据权利要求1所述的分级纳米多孔铜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述Mn
‑
Cu二元合金中Mn含量为60
‑
90at.％。3.根据权利要求1所述的分级纳米多孔铜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，Mn<...

【专利技术属性】
技术研发人员：解辉，金海军，王力，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：